[发明专利]一种寒区隧道安全运行监测系统

权利要求书

1.一种寒区隧道安全运行监测系统，其特征在于，包括数据采集模块、

数据分析模块、云存储模块、采集分析模块、数据调用模块、数据加密模块、数据发送模块、监督模块，数据分析模块包括温度场分析模块、渗透场分析模块、应力场分析模块、使用分析模块和耦合分析模块，数据采集模块包括设计采集模块、使用采集模块、维护采集模块和环境采集模块，监督模块包括分析监督模块、异常监督模块、采集监督模块和警报模块，云存储模块包括设计信息存储模块、使用信息存储模块、维护信息存储模块、其他数据信息存储模块；

系统管理过程具体如下：

1)、数据采集模块采集隧道的设计阶段、使用阶段、维护阶段的各个阶段的数据信息，并将采集的数据信息发送至于云存储模块，云存储模块将不同的数据信息进行分类存储；

2)、所述环境采集模块采集寒区隧道的环境信息并将环境信息存储于云存储模块，所述使用分析模块将环境信息分为四类，分别为第一类型、第二类型、第三类型、第四类型，再从使用采集模块采集到的使用信息中分析出每类环境信息对应的车辆信息，利用线性回归预测模型计算出车辆信息和环境信息对应关系的回归参数，利用回归参数和环境信息可以得到预测车辆信息；

3)、数据分析模块根据车辆信息分析出隧道的土体的冻胀率，穿过寒区隧道的车辆通过作用于寒区隧道的温度场、渗透场、应力场来影响土体的冻胀率，具体的分析过程如下：

步骤一、所述渗透场分析模块用于分析车辆信息对寒区隧道内的渗透场的影响，所述车辆信息包括车辆的车量数目、速度、质量、通车率，车辆与寒区隧道内的空气发生能量转换，转换的能量使得寒区隧道内的温度场量发生变化，温度场量的变化作用于寒区隧道内的渗透场；

步骤二、渗透场的渗透参数与隧道的孔隙率有关，所述维护采集模块通过隧道内的传感器采集隧道的监测数据，所述应力场分析模块用于寒区隧道的应力分析，所述温度场分析模块用于寒区隧道内的温度分析；

步骤三、所述耦合分析模块分析在不同的车辆信息的影响下同一隧道内的温度场、渗透场和应力场之间的耦合的作用，并计算在最终温度场的影响下土体的冻胀率，计算过程如下：

，

为冻结后土体体积膨胀量，为未冻时土体体积；

步骤四、所述应力场分析模块根据冻胀率对寒区隧道的安全程度进行判断；

4)、在寒区隧道的质量监测过程中，数据分析模块可以通过判断环境信息属于的类型得到预测车辆信息，再通过所述3)来分析土体的冻胀率，再结合云存储模块对寒区隧道的质量进行判断，当判断结果为寒区隧道存在安全隐患时，监督模块的警报模块可以向寒区隧道监管部门及时的反映，并采取寒区隧道维护措施。

2.根据权利要求1所述的一种寒区隧道安全运行监测系统，其特征在于，

所述数据分析模块根据隧道的通车率分析出对寒区隧道的温度场、渗透场、应力场的影响，具体分析步骤如下：

、将时间为内时通过隧道的车辆数目记为，计算出隧道的通车率，通过隧道的每个车辆的速度记为，车辆的质量记为，空气阻力为，隧道的长度为，计算移动的车辆与隧道内的空气之间的能量转换，公式如下：

，

，

，

其中代表空气与车辆的摩擦系数，为车身和空气之间的热传到系数，为通过隧道的车辆与隧道的温度场发生的转换的能量，转换的能量增加隧道温度场量的变化，温度场量的变化带来渗透场的变化，加速渗透场的渗透，二维非稳态渗流公式如下：

为水头场函数，为渗透系数，为承压含水层的释水率，为三维空间内的三个方向，通车率与温度场量的变化量是对应的；

、渗透场、应力场、温度场发生耦合，渗透场与应力场存在耦合，渗透参数与寒区隧道内的孔隙率成指数关系，寒区隧道内的孔隙率直接影响寒区隧道内弹性力学应力的变化，再根据质量守恒方程和动量守恒方程分析隧道内的温度场，温度场利用质量守恒方程进行计算，具体方程如下：

=0，

其中为密度，为时间，为散度算子，,为速度矢量,为三维空间内的三个方向；

动量守恒方程如下所示：

,

其中函数，湍流粘度系数,为经验常数；

、经过寒区隧道的车辆通过影响渗透场、应力场来作用于寒区隧道内温度场的变化，计算在车辆影响下温度场对应的冻胀率。